基于RFTP的射頻接收機的設計及鏈路仿真

葛 勇

GE Yong

（華東師范大學 信息科學技術學院，上海 200241）

0 引言

射頻測試平臺RFTP是射頻領域設計生產的高效平臺，用于對射頻系統中的模塊電路、芯片或機器的測試。本論文基于的平臺共由八塊主要的電路板構成，分別是PWR（電源板）、CLK（時鐘板）、CAI（數字控制板）、ADC（模數變換）、DAC（數模變換）、TX（射頻發射板）、RX（射頻接收板）和EI(PA)（擴展板/功放板），八塊電路板相互聯系并進行數據傳輸，其中每一板單板都可以單獨使用，起到信息處理、信號提供或模塊測試的作用。

本文重點介紹的是RFTP中射頻接收器RX的電路設計和基于Cascade軟件的功能仿真。RX的重要指標主要有噪聲系數、功率增益和三階截點。本RX設計的這三個參數分別為：噪聲系數設定為1.8dB；功率增益為67.6dB，設計時將其標準設計為70dB，留有2.4dB的設計余量；輸出三階截點OIP3的指標為+38dBm。

1 射頻接收機的電路設計

射頻接收器RX位于無線通信系統的最前端，其結構和性能直接影響著整個通信系統。射頻接收機的主要任務是將發射機發射出的雙載波射頻信號變換為基帶處理部分能處理的基帶信號[1～3]。無線射頻接收機按結構可分為超外差接收機、鏡像抑制接收機、零中頻接收機和低中頻接收機[1]。本系統中的接收機是改進版的超外差接收機，它可以適用于零中頻、低中頻和高中頻的通信，同時也可以通過旁路繞過RX接收機直接將接收的有用信號送入ADC電路板進行處理。

1.1 RX總體設計

本R X的設計指標為：頻率范圍800MHz～2620MHz，噪聲系數1.8dB，功率增益70dB，動態范圍為-125dBm～-45.7dBm，OIP3為+38dBm，Pout-1為15dBm，射頻通帶信號平坦度3dB，中頻帶寬內信號平坦度0.5dB。總體框圖如圖1所示。

圖1 RX總體框圖

1.2 LNA部分設計

LNA（Low Noise Amplifier）是低噪聲放大器的簡稱，它是RX前端的第一個有源電路。本文設計的低噪聲放大器具體框圖如圖2所示，圖中SKY1、SKY2是由指令控制的射頻開關，A1、A2是放大器，R1、R2和R3是由電阻組成的衰減網絡。

圖2 LNA模塊設計框圖

當不用LNA時（如采用外部LNA），通過指令讓SKY開關接通直通通道，對本系統的LNA提供旁路功能，同時斷開對LNA模塊的電源供應。當采用內部LNA時，接通LNA模塊的電源，同時SKY開關通過指令接通LNA支路。

1.3 中頻放大器設計

中頻放大器IF_AMP（Intermediate Frequency Amplifier）是功率放大器的一種，同時具有選頻和放大的功能，即對特定頻段的功率放大能力高于其它頻段的功率放大能力。

本中頻放大器的特點是中心頻率固定為215MHz，帶寬固定為20MHz。電路框圖如下圖3所示，電路中，B為巴倫電路，它的目的是把兩個差分RF引腳的輸出結合為一個單端50Ω的RF信號，BPF1和BPF2為濾波器，A1、A2和A3為放大器，R1和R2為電阻衰減網絡，起到匹配的作用。

圖3 RX的IF_AMP電路框圖

2 RX鏈路仿真及優化設計

上一節對RX的整體及部分關鍵電路設計進行了詳細介紹，這一節將根據電路設計的模型，利用Cascade鏈路仿真軟件進行仿真。同時，根據鏈路仿真的結果，對具體的電路設計給出進一步優化設計的可能性分析。

2.1 RX總體鏈路仿真

由于RX是用于測試平臺的，它既可以作為射頻接收機來使用，也可以僅僅只作為一個中頻放大器，或者也可以直接利用一次變頻后的中頻信號，同時，其工作模式既可以是零中頻（只有一次混頻）射頻接收機，也可以是高中頻（二次混頻）射頻接收機。下面僅對高中頻工作模式下的RX進行鏈路仿真，仿真結果如圖4所示。零中頻工作模式下的RX鏈路仿真與高中頻工作模式的相類似。

2.2 優化設計分析

從圖4鏈路仿真的結果可以看出，各指標基本符合設定的RX總體設計指標，特別是噪聲系數、功率增益和三階截點，鏈路仿真的噪聲系數為1.67dB，小于規劃的噪聲系數指標1.8dB（噪聲系數越小越好）；仿真結果的增益為69.99dB，與規劃的增益指標70dB幾乎相等，說明系統增益能夠滿足需求；系統的輸出三階截點（Output 3rd Order Intercept）為+36.31dBm，與設計初規劃的+38dBm基本接近，說明系統的線性比較好，能夠達到放大所需要放大的信號的要求。

圖4 高中頻接收鏈路指標仿真結果

由仿真結果看，系統仿真達到了設計規劃的各個指標，但是在實際設計中肯定會受到環境及其它一些因素的影響，下面提兩點關于進一步優化設計的建議：

1）關于設計中使用的電阻衰減器：設計中為了阻抗匹配，使用了很多的π型電阻匹配網絡，這些原本阻值固定不變的電阻會因為使用環境的變化而發生阻值變化，從而引起失配，進一步導致系統的噪聲系數或其它設計指標偏離。可以考慮在設計中使用隨環境變化而變化的匹配網絡，減小失配情況的發生。

2）關于LNA前端加入帶通濾波器的考慮：由于本設計是直接將天線接收的射頻信號送入到兩邊有開關切換的LNA中進行低噪聲放大處理。但是在實際中，天線接收的射頻信號都含有很多雜散的低頻信號，所以如果用帶通濾波器對接收的信號進行一次初步過濾后再送入LNA中，能夠得到更好的信噪比。

3 結論

本文主要介紹射頻測試平臺RFTP中的射頻接收機（RX）的設計，對影響RX的參數進行了設計前的規劃，隨后對RX整體及部分關鍵電路進行了詳細的設計介紹，從電路框圖完全可以畫出相應的硬件電路圖。最后利用仿真軟件Cascade對RX在高中頻工作模式下進行了鏈路的仿真，從鏈路仿真的結果可以看出，設計的系統完全能夠滿足使用。

[1] 姜兆國.超寬帶射頻接收機前端LNA和MIXER的研究和設計[D].天津：天津大學,2009.

[2] 葉榮科.低中頻數字接收機的模數轉換器的設計[D].天津：天津大學,2009.

[3] 鐘綿城,鐘升,周煦林.射頻接收機中帶通采樣速率選取研究[J].科學技術與工程,2010,10(29)：7286-7289.

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[5] 宮波,李淑華.基于ADS的通信設備低噪聲放大器改進設計與仿真[J].電子設計工程,2010,18(2)：121-124.

[6] 南敬昌,梁立明,劉影.基于ADS微波功率放大器設計與仿真[J].計算機仿真,2010,27(5)：327-343.